IEEE 802.22環境下的認知無線網絡功率控制研究*

文 凱，洪 波

（重慶郵電大學 a.重慶信科設計有限公司；b.通信新技術應用研究所，重慶 400065）

1 引言

隨著無線通信技術的不斷發展，無線頻譜已成為現代社會不可或缺的寶貴資源，而在當前的固定頻譜分配方式下，授權頻段的頻譜利用率極為低下，造成了大量頻譜資源的浪費。而近年來的調查發現，固定無線頻譜分配導致局部頻譜利用率只有15%～85%[1]，表明固定頻譜分配很不合理。FCC提出在電視頻段上，使用認知無線電（Cognitive Radio，CR）技術來解決頻譜資源不足的問題，并已經將5.3 GHz頻段共享，同時建議共享部分電視頻段資源[2]。認知無線電技術能夠對不可再生的頻譜資源實現再利用，進而緩解頻譜的緊缺程度、有效地解決頻譜稀缺的問題，被認為是解決無線頻譜資源低利用率問題的最佳方案。

2004年11月第一個基于CR的無線標準IEEE 802.22[3]工作組成立，目的在于解決運營在廣播電視頻段的認知無線廣域接入網絡技術。在認知無線電中，當認知用戶（Cognitive User，CU）與主用戶（Primary User，PU）在相同的頻段上共存時，認知用戶的發射功率必須在主用戶信干噪比（SINR）允許的范圍內。因此，認知用戶需要根據主用戶可容忍的干擾限制進行嚴格的功率控制，從而避免影響到主用戶的正常通信[4-6]。

筆者考慮認知用戶和主用戶在相同頻段上共存的網絡場景，主要目標是研究在滿足主用戶鏈路接收端峰值干擾功率約束和認知用戶鏈路發射端總功率約束條件下的功率控制策略，并評估認知用戶的傳輸速率和中斷概率等性能指標。

2 系統模型

考慮認知用戶和主用戶可占用相同的信道進行數據傳輸，但認知用戶的發射功率必須滿足主用戶的SINR門限值限制，同時通過外部的控制信道，認知用戶能正確接收到主用戶當前的信道狀態信息。假設主用戶發信機以固定功率Pp進行發射，最小傳輸速率為常數Rp，其中授權系統為廣播電視系統，主發信機為基站。假設主用戶和認知用戶鏈路的信道增益分別為hp和hc，認知用戶與主用戶之間的干擾鏈路增益為g，如圖1所示，且假設hp，hc和g都服從均值為1的指數分布。

為將認知用戶對主用戶的干擾功率限制在主用戶可容忍的范圍內，同時最大化認知用戶的傳輸速率，該問題可描述為

圖1 系統模型

式中：pc為認知用戶的發射功率，pcmax為認知用戶終端可提供的最大發射功率，Qmax表示主用戶可忍受的干擾極限，表示認知用戶接收端的干擾功率。文獻[7]根據中心極限定理證明了當多個主用戶存在時，主用戶對認知用戶的干擾服從白高斯分布，因此包括高斯白噪聲和主用戶對認知用戶的干擾。

3 功率控制策略

由于主用戶的信道狀態隨通信環境不斷變化，主用戶可忍受的干擾極限Qmax也隨之變化，因此認知用戶需要根據主用戶的信噪比來確定發射功率，以避免影響主用戶正常通信。主用戶的信噪比表示為

在考慮了認知用戶對主用戶干擾的情況下，主用戶的SINR可定義為

由于外部環境的不斷變化，同時背景噪聲的測量存在一定的偏差，因此加入1個功率保護值p*，以此來減少感知偏差帶來的影響。于是，認知用戶允許的最大發射功率滿足

因此，當主用戶的信道狀態（即信噪比）確定時，根據主用戶鏈路的信噪比進行嚴格的功率控制，把干擾限制在主用戶可容忍的范圍內，避免影響主用戶的正常通信。

4 認知用戶中斷概率分析

由于認知用戶的發射功率必須滿足主用戶的信干噪比約束，因此當主用戶的信干噪比不斷變化時，認知用戶的發射功率也需隨之進行變化和調整，這可能導致認知用戶通信鏈路發生中斷。在研究中，假設當認知用戶的信干噪比低于門限γth時將發生鏈路中斷，則認知用戶鏈路的中斷概率可描述為

Pr為中斷概率函數，所以根據認知用戶發射功率與主用戶可容忍的最大干擾極限Qmax之間的關系可得到

由上述分析可知，認知用戶的中斷概率與主用戶的信道狀態、最低傳輸速率Rp以及認知用戶的中斷門限值γth有關。

5 仿真結果

仿真中，假設認知用戶鏈路和認知用戶對主用戶干擾鏈路的信道增益都服從均值為1的指數分布，和分別為10-4W和10-3W，功率保護值p*=0.5 mW，主用戶的固定發射功率為Pp=10 mW。

圖2顯示了當認知用戶能提供的最大發射功率pcmax=40 mW時，認知用戶傳輸速率與主用戶傳輸速率Rp的關系。由圖2可知，認知用戶的傳輸速率隨著Rp的增加而減小。此外，主用戶鏈路信噪比越高，主用戶可容忍的干擾越大，因此認知用戶的傳輸速率也越高。

圖2 不同Rp時認知用戶的傳輸速率

圖3顯示了認知用戶在鏈路中斷門限值為γth=2 dB時，中斷概率與主鏈路信噪比γp的關系。由圖3可知，主鏈路信噪比越大，主用戶可容忍的干擾極限越高，認知用戶則能以更大的功率進行發射，因此認知用戶的中斷概率隨主鏈路信噪比的增加而降低。在主鏈路的信道條件足夠好時，認知用戶以最大功率pcmax發射而不影響主用戶的正常通信。而主鏈路信噪比達到一定值后，認知用戶的中斷概率隨pcmax的增加而降低。所以主鏈路信噪比大于10 dB時，認知用戶能提供的最大發射功率pcmax越大，中斷概率越低，所以本文采用的最大化認知用戶發射功率能有效降低認知用戶的中斷概率。

圖3 認知用戶中斷概率與γp的關系

圖4顯示了認知用戶中斷概率與中斷門限γth的關系。主鏈路信噪比γp越大，認知用戶的發射功率越大，從而認知鏈路發生中斷的概率也越低。由圖4可知，通過本文的功率控制策略，能最大化認知用戶發射功率，能降低認知用戶的中斷概率。

6 小結

研究了認知無線網絡中的功率控制方案，使認知用戶根據主用戶的信道狀態條件進行嚴格的功率控制，在保證主用戶正常通信的條件下，最大化認知用戶的傳輸速率。對認知用戶的傳輸速率和中斷概率等性能指標作了仿真評估，仿真結果表明，該方案能有效地保證主用戶通信的QoS，同時保證認知用戶傳輸速率并有效降低認知用戶中斷概率。

圖4 認知用戶中斷概率與中斷門限γth的關系

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